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第1篇 动量传输 1

1　动量传输的基本概念 1

1.1　流体的概念及连续介质模型 1

1.1.1 流体的概念 1

1.1.2　连续介质模型 2

1.2　流体的密度、重度及比体积 2

1.3　流体的压缩性及膨胀性 3

1.3.1 液体的压缩性及膨胀性 3

1.3.2 气体的压缩性及膨胀性 3

1.3.3 可压缩流体和不可压缩流体 5

1.4　流体的黏性 5

1.4.1 流体的黏性及黏性力 5

1.4.2　牛顿黏性定律 6

1.4.3 黏度 7

1.4.4 黏性动量传输及黏性动量通量 8

1.4.5 实际流体和理想流体模型 9

1.5　流体上的作用力、能量及动量 9

1.5.1 流体上的作用力 9

1.5.2 作用力、能量及动量之间的关系 10

小结 11

习题与思考题 11

2　动量传输的基本定律 13

2.1　流体流动的基本特性 13

2.1.1 流体流动的分类 13

2.1.2　流体流动的研究方法 13

2.2　流体的质量平衡方程——连续性方程 17

2.2.1 直角坐标系中的连续性方程 17

2.2.2 管流连续性方程 19

2.3 黏性流体的动量平衡方程——纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程 20

2.3.1 动量平衡的定义 20

2.3.2 N-S方程的推导 20

2.3.3 N-S方程的讨论 23

2.4　理想流体的动量平衡方程——欧拉（Eular）方程 24

2.5　流体机械能平衡方程——伯努利（Bernoulli）方程 25

2.5.1 伯努利方程的微分式 25

2.5.2　伯努利方程的积分式 26

2.5.3 伯努利方程在管流中的应用 27

2.6　流体静压力平衡方程 34

2.6.1 静止流体的压力分布方程 34

2.6.2　流体的静压力 35

小结 37

习题与思考题 38

3　管流流动 41

3.1　流体流动状态 41

3.2　圆管层流流动 42

3.2.1 微分方程的建立 42

3.2.2　截面速度分布 43

3.2.3　截面平均速度 43

3.3　圆管紊流流动 44

3.4　管流阻力 44

3.4.1 圆管层流摩阻 45

3.4.2 圆管紊流摩阻 45

3.4.3 非圆形管道的摩阻 47

3.4.4 管流局部阻力损失 48

3.4.5 管流系统阻力损失 50

小结 52

习题与思考题 52

4　边界层流动 54

4.1　边界层概念 54

4.1.1　平板边界层 54

4.1.2　管流边界层 55

4.2　边界层微分方程 56

4.2.1 边界层微分方程的建立 56

4.2.2　边界层微分方程的解 57

4.3　边界层积分方程 57

4.3.1 边界层积分方程的建立 57

4.3.2　层流边界层积分方程的解 58

4.3.3 紊流边界层积分方程的解 59

4.4　流体绕流摩阻 60

4.4.1　平板层流绕流摩阻 60

4.4.2　平板紊流绕流摩阻 61

4.4.3 平板混合边界层绕流摩阻 62

4.4.4　球体绕流摩阻 63

小结 63

习题与思考题 63

5　流体的流出 65

5.1 不可压缩流体自孔口的流出 65

5.1.1 流体经薄壁孔口的流出 65

5.1.2　流体经管嘴的流出 66

5.2　液体自容器底部孔口的流出 68

5.2.1 液面高度不变时的流出速度 68

5.2.2 定量液体的流空时间 68

5.3　可压缩流体自孔口的流出 69

5.3.1 声速和马赫数 69

5.3.2　流速基本公式 70

5.3.3 可压缩气体流出的临界值 71

5.3.4　超声速流动及拉瓦尔管 73

5.3.5 可压缩气体流出的综合分析 74

5.3.6 可压缩气体流出的计算 74

小结 77

习题与思考题 78

6　射流 79

6.1 自由射流 79

6.1.1 自由射流的基本特性 79

6.1.2 自由射流的动量守恒 80

6.1.3 自由射流的速度分布 80

6.2　半限制射流 82

6.2.1 贴壁射流 82

6.2.2 冲击射流 82

6.2.3 附壁效应（柯安达效应） 83

6.3 限制射流 84

6.3.1 限制射流的基本特点 84

6.3.2 限制空间内的流体循环 84

6.3.3 限制空间内的旋涡区 85

6.4　旋转射流 85

6.4.1 旋转射流的特性 85

6.4.2　旋流强度 87

小结 89

习题与思考题 90

7　冶金与材料制备及加工中的动量传输 91

7.1　气液两相流动 91

7.1.1 气体流过液体表面的流动 91

7.1.2　气体喷入液体中的流动 91

7.1.3 气体垂直喷向液体表面的流动 93

7.2　气固两相流动 94

7.2.1 固定料层流动 94

7.2.2　气动输送过程 99

7.3　热气体的流动 102

7.3.1 热气体的压头 102

7.3.2 热气体静力平衡方程 104

7.3.3　热气体管流伯努利方程 104

7.3.4　热气体管流阻力损失计算 105

7.3.5 热气体管流伯努利方程的应用 106

小结 107

习题与思考题 108

8　相似原理与量纲分析 109

8.1　相似的概念 109

8.1.1 几何相似 109

8.1.2 物理相似 109

8.1.3 单值条件相似 110

8.1.4　相似特征数 110

8.2　相似三定理 112

8.2.1 相似第一定理 112

8.2.2　相似第二定理 112

8.2.3　相似第三定理 112

8.3　相似转换及特征数方程 113

8.3.1 相似转换 113

8.3.2　确定特征数方程 114

8.3.3 由特征数方程确定经验公式 115

8.4　量纲分析及π定理 116

8.4.1 量纲及量纲和谐原理 116

8.4.2 量纲分析法确定相似特征数 116

8.4.3 π定理 117

8.5　模型实验法 118

8.5.1 模型实验的相似条件 118

8.5.2　近似模型法 118

8.5.3　模型设计 119

8.5.4　模型比例方程 120

8.5.5　模型实验方法 120

小结 121

习题与思考题 122

第2篇 热量传输 123

9　热量传输的基本概念及基本定律 123

9.1　热量传输的基本概念 123

9.1.1 热量传输的基本方式 123

9.1.2 温度场 125

9.1.3 等温面及等温线 125

9.1.4 温度梯度 126

9.1.5 热通量、热流量和总热量 126

9.1.6　热阻的概念 126

9.2　热量传输的基本定律 127

9.2.1 傅里叶导热定律 127

9.2.2　傅里叶-克希荷夫导热微分方程 129

小结 133

习题与思考题 133

10　传导传热 134

10.1　稳定导热 134

10.1.1 一维平壁稳定导热 134

10.1.2 一维圆筒壁稳定导热 141

10.2　不稳定导热 148

10.2.1 不稳定导热的基本概念 148

10.2.2 第三类边界条件下的薄材加热（集总参数法） 152

10.2.3 第三类边界条件下有限厚物体的不稳定导热 154

10.2.4 第一类边界条件下有限厚物体的不稳定导热 158

10.2.5 半无限大物体在第一类边界条件下的不稳定导热 160

10.3　导热的有限差分解法 162

10.3.1 有限差分法的基本概念 162

10.3.2 二维稳定导热的差分解法 164

10.3.3 一维不稳定导热的差分解法 167

小结 171

习题与思考题 171

11　对流换热 174

11.1　对流换热的一般分析 174

11.1.1 对流换热简介 174

11.1.2 对流换热的分类 174

11.1.3 对流换热系数 175

11.1.4 影响对流换热系数的因素 175

11.1.5 对流换热的研究方法 176

11.1.6　热边界层概念 176

11.1.7 对流换热系数表达式 177

11.2　流体流过平板时的对流换热 178

11.2.1 边界层对流换热微分方程组 178

11.2.2　平板层流换热微分方程组的解析解 178

11.2.3 平板层流换热的近似积分解 179

11.2.4 流体沿平板紊流流动时的对流换热 180

11.3　流体管内流动对流换热 182

11.3.1 管内流动时的热边界层 182

11.3.2 管内层流时的对流换热 182

11.3.3 管内紊流时的对流换热 183

11.4　流体绕流对流换热 188

11.4.1 流体横向掠过圆管时的对流换热 188

11.4.2 流体流过球体时的对流换热 190

11.5 自然对流换热 191

11.5.1 自然对流换热的特点 191

11.5.2 大空间自然对流换热的特征数方程 192

小结 194

习题与思考题 194

12　辐射换热 196

12.1　热辐射的基本概念 196

12.1.1 热辐射的本质和特点 196

12.1.2 辐射能的吸收、反射和透过 197

12.1.3 辐射力和辐射强度 198

12.2　黑体辐射的基本定律 199

12.2.1 人工黑体模型 199

12.2.2 普朗克（Planck）定律 200

12.2.3 斯忒藩-玻耳兹曼（Stefan-Boltzmann）定律 201

12.2.4 朗伯定律（余弦定律） 201

12.3　实际物体的辐射 202

12.3.1 实际物体的辐射特性 202

12.3.2 实际物体吸收辐射的特性 205

12.3.3　基尔霍夫定律 205

12.4　角系数 206

12.4.1 角系数的定义 206

12.4.2　角系数的性质 207

12.4.3 角系数的确定方法 208

12.5　固体表面间的辐射换热 212

12.5.1 两个黑体表面间的辐射换热 212

12.5.2 两个灰体表面间的辐射换热 213

12.5.3 三个灰体表面间的辐射换热 217

12.5.4 有遮热板时的辐射换热 221

12.6　气体与固体表面间的辐射换热 223

12.6.1 气体辐射的特点 223

12.6.2 气体吸收定律（比尔定律） 225

12.6.3 气体的黑度和吸收率 225

12.6.4 气体与围壁表面间的辐射换热 230

12.7　对流与辐射共同存在时的热量传输 231

小结 231

习题与思考题 232

13　冶金与材料制备及加工中的热量传输 234

13.1　散料层内热交换 234

13.1.1 固定料层内热交换 234

13.1.2　流化料层内热交换 238

13.2　换热器热交换 240

13.2.1 换热器的种类和流体流动方式 240

13.2.2　换热器的工作原理 240

13.2.3 换热器的平均温差 241

13.2.4　换热器的热工计算 243

13.3　蓄热室热交换 247

13.3.1 蓄热室的工作原理 247

13.3.2　蓄热室内传热系数 249

13.4　凝固过程传热 252

13.4.1 连铸凝固传热微分方程 252

13.4.2　连铸凝固传热的数值解法 253

13.5　热处理过程传热 254

13.5.1 物性参数的确定 254

13.5.2　表面传热系数的确定 255

13.6　焊接过程传热 256

13.6.1 瞬时集中点状热源作用下的温度场 256

13.6.2 瞬时集中线状热源作用下的温度场 256

13.6.3 表面散热对温度场的影响 257

小结 257

习题与思考题 258

第3篇　质量传输 259

14　质量传输基本概念及基本定律 259

14.1　质量传输基本概念 259

14.1.1 浓度及其表示方法 259

14.1.2　浓度场及浓度梯度 261

14.2　质量传输基本定律 261

14.2.1 菲克（Fick）第一定律 261

14.2.2　菲克（Fick）第二定律 264

小结 265

习题与思考题 266

15　扩散传质 267

15.1　稳定扩散传质 267

15.1.1 气体通过平板的扩散 267

15.1.2 气体通过圆筒壁的扩散 268

15.2　不稳定扩散传质 269

15.2.1 传质微分方程及其边界条件 269

15.2.2 表面浓度为常数时，有限厚物体的不稳定扩散传质 270

15.2.3　介质浓度为常数时，有限厚物体的不稳定扩散传质 271

15.2.4 表面浓度为常数时，无限厚物体的不稳定扩散传质 271

小结 272

习题与思考题 272

16　对流传质 273

16.1　对流传质基本概念 273

16.1.1 浓度边界层 273

16.1.2　对流传质系数 274

16.1.3 对流传质特征数 274

16.2　对流传质特征数方程 275

16.2.1 平板层流对流传质 275

16.2.2　平板紊流对流传质 276

16.2.3　球体绕流对流传质 277

16.2.4　管内紊流对流传质 277

16.3　对流传质系数模型 277

16.3.1 薄膜理论 278

16.3.2　渗透理论 278

16.3.3　表面更新理论 278

小结 278

习题与思考题 279

17　冶金与材料制备及加工中的质量传输 280

17.1　相间平衡与平衡浓度 280

17.2　双膜理论及相间传质 280

17.3　两相反应中的扩散 282

17.3.1 气固两相反应中的扩散 282

17.3.2 气液两相反应中的扩散 283

17.4　多孔材料中的扩散 285

17.4.1 分子扩散 286

17.4.2　克努森（Knudsen）扩散 286

17.4.3　表面扩散 286

小结 287

习题与思考题 288

18　动量、热量、质量传输的类比 289

18.1　三种传输概念的类比 289

18.2　三种物性传输的类比 289

18.3　三种对流传输的类比 290

18.3.1 雷诺（Reynolds）类比 290

18.3.2　柯尔伯恩（Colburn）类比 291

小结 292

习题与思考题 292

部分习题参考答案 293

附录 295

附录1　大气压下干空气的物理性质 295

附录2　大气压下水的物理性质 296

附录3　几种常见气体的物理性质（20℃） 296

附录4　几种常见气体的μ0、C及M值 296

附录5　大气压下烟气的物理性质 297

附录6　各种材料的密度、导热系数、比热容 297

附录7　一些金属材料的导热系数 299

附录8　几种耐火材料、隔热材料的性质 300

附录9　各种材料的黑度 301

附录10　高斯误差函数值 303

附录11　一些气体在空气中的扩散系数 304

附录12　一般溶液的相互扩散系数DAB（25℃） 304

附录13　固体中的扩散系数DAB 304

参考文献 305